基于單片機的差壓式液位監控系統設計

王延年，李雄飛

（西安工程大學電子信息學院，陜西西安 710048）

隨著現代化工業的飛速發展，越來越多的工業生產領域需要對液位進行實時監測以及對安全運行數據進行實時反饋，如常見的鍋爐液位、油罐液位、化工原料液位等，這對正常安全生產起著至關重要的作用[1]。由于被檢測液體本身可能具有腐蝕性、毒性和刺激性，不能依靠人為去獲取液位數據。在現代化工控領域中不僅要求可以實現液位實時監測和報警，甚至更多時候需要系統進行自我液位調節，使得整個系統始終保持在安全生產液位[2]。這對系統控制的設計提出了更高的要求，設計出符合企業生產的全自動液位監控系統既可以提高企業生產效率又可以降低生產成本[3]。集成化網絡和通信技術的迅速發展，為液位監控技術提供了良好的軟件編程和硬件設計平臺[4]。新的液位監控系統趨于便捷化、自動化和智能化，有利于提高測量的準確度和安全性[5]。

文中設計了一種差壓式液位數據采集與監控系統，采用AT89S52 單片機作為系統的主控芯片，使用差壓傳感器進行液位信號的采集，將采集信號進行相應的數制轉換，通過單片機與上位機進行數據傳送，實現顯示與控制的功能。利用MCGS 軟件制作相應的監控畫面，實現對液位的變化進行預報警，提高液位監控的實時性[6]。整個設計中需要完成三大塊：液位監控系統的硬件電路設計、液位監控系統的軟件設計、調試仿真。

1 系統方案設計

考慮到實際設計需求與成本，由于PLC 的價格昂貴且體系結構封閉，各PLC 廠家硬件體系互不兼容，編程語言及指令系統也各異[7]，當用戶選擇了一種PLC 產品后，必須選擇與其相應的控制規程，并且學習特定的編程語言[8]。而單片機的體積較小、集成度較高、編程比較方便、功耗和價格都很低、操作簡單、通用性好，在工業生產中應用比較廣泛[9]。因此該文選取單片機來實現液位監控系統的設計。該系統包含電源、晶振、復位、鍵盤、顯示、液位信號采集、模數轉換、報警、電機控制等模塊，以及相應模塊的軟件系統，其硬件系統核心采用單片機，系統框圖如圖1 所示。

圖1 基于單片機的液位監控系統框圖

該設計選取AT89S52 單片機為控制核心，選取ZPM430 傳感器進行數據采集。AT89S52 單片機的功能非常多，存儲容量很大，定時器可以實現多種功能，內置8kROM，足以容納通用程序，價格低，編程比較方便，ISP 比較簡單可靠而且可下載，閃存ROM下載次數多，高達10 000 次以上，可靠性高[10]。ZPM430 傳感器精度高、穩定性好，而且它有很多種壓力接口和電氣接線形式供選擇，廣泛應用于電力、石油、化工、水文等領域的各種氣體和液位的差壓測量[11]。

2 系統電路設計

2.1 顯示電路設計

該系統需要顯示當前液位值以及預報警值，所以在該設計中選用了LCD1602 顯示模塊，該模塊可以將顯示屏和驅動集成電路作為一個整體來使用[12]。字符型LCD1602 的驅動器一般是HD44780，其一般有16 條外部接口信號。其中有8 條數據總線，3 條控制線分別為RS、R/W 和E。RS 是輸入端，其功能是選擇寄存器，當RS 為高電平時，選擇數據寄存器；為低電平時，選擇指令寄存器。R/W 為讀寫選擇端，當R/W 為高電平時，選擇讀操作；為低電平時，選擇寫操作。E 是使能信號端。

LCD1602顯示模塊與單片機直接相連，LCD1602的八位數據線D0～D7 與單片機的P0.0～P0.7 口對應連接，另外，因為單片機的P0 口內部不帶上拉電阻，所以需要外接上拉電阻來增強輸出能力。控制線RS 與單片機的P1.0 口相連，當輸入高電平時，為數據信號；當輸入低電平時，為命令信號。R/W 與單片機的P1.1 口相連，當輸入高電平時，為讀數據信號；當輸入低電平時，為寫數據信號。使能信號E 與單片機的P1.2口相連，管腳GND 接地，管腳VCC 接+5 V電源，管腳VEE 外接一個電位器，用來調節液晶顯示屏的對比度。

2.2 報警電路設計

該系統是一個液位監控系統，必須在液位超出或低于正常使用范圍時及時提醒工作人員，這就必須要用到報警電路。該設計采用雙重報警的方式來有效清晰地提醒工作人員，該報警電路包括音頻報警電路和信號燈報警電路。

2.2.1 音頻報警電路

音頻報警電路由蜂鳴器發聲報警，當液位處于非正常范圍時發出警報聲，便于工作人員及時查明并排除故障。電路中蜂鳴器的正極接到三極管8550的集電極C 端，三極管的發射極E 接到電源VCC 上，三極管的基極B 通過一個限流電阻R6后由單片機的管腳P2.2 控制，即接到接線口P2.2 上。當引腳P2.2為高電平時，三極管無法導通，故沒有電流流過線圈，這時蜂鳴器不發聲；當引腳P2.2 為低電平時，三極管導通，有電流流過蜂鳴器，構成了閉合的回路，蜂鳴器可以發聲。所以，只要編好程序來控制單片機P2.2 端口的電平高低，就可實現報警功能。蜂鳴器報警電路如圖2 所示。

圖2 蜂鳴器報警電路

2.2.2 信號燈報警電路

蜂鳴器報警只能讓工作人員知道液位此時不在正常范圍內，但是并不能讓工作人員知道液位究竟是高了還是低了。而信號燈報警就可以彌補這個缺失，其與蜂鳴器配合使用達到完美報警。當液位低于下限報警值時，單片機的引腳P2.3 為低電平，發光二極管D2 導通，低位報警信號燈點亮，為高電平時，信號燈滅。當液位高于上限報警值時，引腳P2.4 為低電平，發光二極管D3 導通，高位報警信號燈點亮，為高電平時，信號燈滅。R3和R4是兩個限流電阻，保護發光二極管不被燒壞。信號燈報警電路如圖3 所示。

圖3 信號燈報警電路

2.3 控制電路的設計

控制電路主要控制的是供水電機的啟停，當液位低于報警下限值時，供水電機啟動，開始補水；當液位高于上限報警值時，電機停止補水。其工作原理：當三極管的基極與單片機的P2.0 端口連接并處于低電平時，三極管導通，此時RL1 繼電器的線圈得電，常開開關吸合，電機接入電源，開始補水。當三極管的基極與單片機的P2.0 端口連接并處于高電平時，三極管截止，此時RL1 繼電器的線圈失電，常開開關彈開，電機與電源斷開，停止補水。由于系統的I/O 端口的輸出太弱，因此使用三極管來控制繼電器的連接。控制電路如圖4 所示。

圖4 控制電路

3 系統軟件設計

3.1 系統主程序設計

主程序是控制單片機進行工作的程序，是整個程序設計中最關鍵的[13]。主程序是固化到單片機中的，其工作過程首先是負責將單片機進行端口初始化，然后跳轉到差壓式液位傳感器的采集子程序上并執行該程序，將采集到的模擬量信號傳送到模數轉換器進行數據轉換，以便單片機處理，然后執行數碼顯示子程序，使系統的LCD 顯示屏進入工作狀態。主程序流程如圖5 所示。

圖5 主程序流程

3.2 報警控制子程序

報警控制子程序的工作原理如下：由主程序調用報警控制子程序，首先判斷檢測到的液位值是否低于下限值，如果低于下限值，則執行電機啟動程序，下限報警指示燈亮，在檢測值恢復到限值范圍內后，下限報警指示燈滅并返回；然后判斷檢測到的液位值是否高于上限值，如果高于上限值，則執行電機停止程序，上限報警指示燈亮，同時蜂鳴器啟動報警，檢測值恢復到設置范圍后，上限報警指示燈滅，蜂鳴器停止報警并返回，然后延時等待，直到下次調用該子程序。報警控制子程序的流程如圖6 所示。

圖6 報警控制子程序流程

4 仿真調試

該系統設計使用Keil5 程序軟件以及Proteus 模擬軟件。Keil5 軟件使用C 語言開發系統，兼具架構優勢、能力優勢、讀取優勢、可編譯源程序，連接和定位目標文件庫，創建HEX 文件，調試目標程序[14]。Proteus 軟件可以實現原理圖繪制、代碼調試、單片機與外圍電路仿真，還能一鍵切換到PCB 的設計[15]。

4.1 系統電路仿真

將所有元器件連接好后，在調試下拉菜單欄中點擊開始仿真。顯示屏上顯示默認設定值：當前液位為5 m，上限報警值SH為7 m，下限報警值為3 m，電源指示燈D1 亮。將電位器的值調大，顯示屏上的當前液位隨之變大，將其調小，當前液位隨之減小。當液位高于7 m 時，蜂鳴器報警，同時D4 指示燈亮，水泵停止供水。當液位低于3 m 時，D3 指示燈亮，同時水泵開始補水。按下S1 鍵，報警燈閃爍，處于編輯狀態，按一次S2 鍵，報警值加1，按一次S3 鍵，報警值減1，S1 可以選擇設置H 和L。

4.2 實時監控畫面仿真

該設計使用MCGS 模擬運行軟件[16]，制作了液位監控畫面來模擬實時報警畫面運行結果，報警畫面主要由實時曲線、歷史曲線和計劃曲線組成，其模擬運行結果如圖7 所示。實時曲線是對當前液位情況作出報警的，歷史曲線可以用來查看之前的報警情況，計劃曲線是用來設定預期的報警值的。

圖7 報警畫面顯示

5 結束語

該文以工業控制生產為背景，設計了基于單片機的差壓式液位監控系統，完成了系統的硬件電路設計和軟件編程設計，進一步完成了系統配套監控畫面的制作，實現了液位的實時監測、調整、報警以及數據報表上傳，符合現代化生產要求，提高了安全生產效率的同時節約了企業生產成本。